一种矿用隔爆双回路软启动器的设计

梁廷魁

（1.中北大学,山西太原,030051;2.山西机电职业技术学院,山西长治,046011)

随着我国煤炭生产机械化和自动化程度的不断提高，皮带机、刮板机等设备的大运输量和高速度量要求日益增多，解决皮带机、刮板机等大型异步电动机的软起动，是矿井运输、安全生产、延长皮带机、刮板机寿命的关键问题。作为异步电动机的启动设备-软启动器，利用晶闸管交流调压技术制作，从20世纪70年代开始推广应用，同时，软启动器的晶闸管触发环节采用单片机控制，由于其程序上的可扩展性，使得软启动器的功能越来越全面，能够将软起动、制动、短路、过载、缺相、断相等保护溶于一体，使得其应用前景十分广阔。

本文介绍基于单片机的交流电动机软启动控制器，及在该控制保护器基础上实现的矿用隔爆兼本质安全型双回路软启动器系统设计，该启动器可以实现不同电机的顺序、切换等启动过程，通过程序设定，可实现电动机运行过程中的各种保护，运行参数监控等功能。由于软启动本身的特点，可以达到有效降低电动机的起动过程对电网中的其他运行设备的电力冲击。

1 设计思路

本方案是要实现由单片机控制的矿用隔爆双回路软启动器，用单片机作为软启动器的控制部分，主要完成软启动器的触发信号控制、同步采集、相序检测、电流电压监测等功能；双回路切换以及通讯部分的功能由PLC来完成；由于矿井的特殊要求，在设计中还需要增设风电瓦斯闭锁等环节。

本系统的结构框图如图一所示，软启动器的主电路部分，采用三相调压电路，将3对6个反并联的晶闸管串接到三相电源与电动机之间，考虑到矿井下设备的容量，可选用大功率的晶闸管。触发信号控制的实现是通过改变晶闸管触发角来完成的，同时使电压实现平滑变化；同步及相序检测环节主要保证触发信号出现的准确性，以及防止电动机起动过程出现的不平衡；对电流电压的监测可以保证电动机起动过程的顺利进行，同时防止过电流及过电压的出现，并实现升压限流启动的功能，避免了电动机电压突变带的转矩冲击现象。本系统采用PLC的PPI通讯来实现双回路之间的切换，为井下大型设备的稳定工作提供保障。

2 硬件设计

通过图一的系统结构框图可以看出，本系统硬件由主回路、触发电路、控制回路、阻容吸收缓冲电路、本安回路等电路部分组成。

主电路部分，采用三相交流调压电路即在三相电源与三相异步电动机之间串接3组6个反并联的晶闸管来进行调压，六个晶闸管之间触发信号相差60度相位角，这种连接方式调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。

控制回路采用MSP430F149单片机作为触发信号的控制核心，为了使主回路以及控制电路之间实现电路的强弱分离，在单片机的P口上增设光耦隔离环节，可以有效地防止主回路电网波动对触发电路引起的干扰，同时将比较器采样三相电路输出的三路方波信号与MSP430F149的六个中断输入接口相连，通过设定中断申请的中断方式，可以检测出这三路方波的六个过零点，可以实现触发信号的同步。

图一 双回路系统结构框图

阻容吸收环节能够有效防止由于电路中存在储能元件造成晶闸管关断时产生泵生电压引起的元件损坏现象，由于旁路接触器选用的真空开关灭弧能力极强，开断时会引起特殊的操作过电压，造成高压电机绝缘击穿，回路变压器故障，甚至导致开关柜自身损坏烧毁，所以阻容环节选用三相组合式过电压保护器可以专用于3～35kV中压系统，保护系统内部操作过电压（主要是真空开关强制截流过电压，也包扩多次重燃过电压和三相开断不同步产生的过电压）对电气设备免受侵害。

另外，根据煤矿安全规定，当机械化采煤、掘过迎头回风风流中瓦斯浓度达到煤矿安全规程规定的最高规定1.5%时，能立即切断该工作面及掘进迎头的一切电源,并且在瓦斯浓度未降到一定浓度时(1%),井下采区变电所内的供电开关不能接通该区域的一切电源，所以在电路设计中需要增设风电瓦斯闭锁环节，硬件上根据闭锁信号类型，需要在系统中增加一瓦斯闭锁节点，具体功能通过软件程序实现。

3 软件设计

3.1 晶闸管的触发角控制环节

本系统中晶闸管的触发角控制是采用中断的形式运行的，程序则主要包括主程序和中断服务程序，其中主程序包括系统初始化，参数设置，开放中断等，其程序流程图如图二所示：

图二 主程序流程图

本系统启动器的启动有多种不同的工作方式，具体是通过中断服务程序的形式完成的。其定时中断程序流程图如下图三所示：

图三 中断程序流程图

3.2 双回路的PLC控制

双回路部分由PLC完成启动、停止、双回路切换、互联互锁、产生时间延迟等功能的实现。其中控制过程如图四所示

图四 PLC控制软启动过程流程图

4 系统功能分析

4.1 控制功能

手动控制电机软/直启、停。联机控制方式通过工作方式切换开关选择。

切换工作方式时，根据两组软启动器的工作状态，自由设定主机与辅机，当主机停机时，自动切换到辅机工作，反之当辅机停机时，自动切换到主机运行。顺序方式自由设定主机与辅机，当主机启动时，辅机按照设定好的启动时间自动跟随启动，反之当辅机启动时，主机也能按照设定好的启动时间自动跟随启动。

4.2 保护功能

系统保护功能较多，当发生缺相、相序问题、电机电流过大、电机负载过大等任一异常现象时，保护功能开始动作自动使启动器停机。

4.3 监视、报警功能

实时地监视整个系统运行的状况，将主电路电流值、电压值及系统运行状态都现实出来，尤其当系统出现故障，会有故障显示，同时向井上控制室发送故障信息。

5 结束语

本文在详细分析电动机软启动过程的基础上，设计了一台适用于煤矿生产行业的矿用隔爆兼本质安全型双回路软启动器系统，该启动器经过在长治市几个煤矿的实际运行情况表明该系统稳定性好，可靠性高。

矿用隔爆兼本质安全型双回路软起动器的应用，符合目前国内煤炭行业的产业政策、技术先进和实用性，应用前景十分广泛。随着电力电子技术及控制技术的不断更新，相信未来将会有更多的人投入到这项研究中去，设计出功能更强大、设施更完备的软启动系统。

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